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MEMS传感

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MEMS:从微观世界中掌握住地球的律动

导读: 比如使用通过体温检测到人体的红外传感器,就可以只在有人的地方进行照明和提供冷气,从而大大削减用电量的浪费。而地震传感器可以检测出强烈的地震,从而中止装置和设备的使用,避免机器发生故障和引发火灾等次生灾害。

如下图所示,这如同心脏跳动般的律动,来自组成欧姆龙血压计的压力传感器,只有1.36平方毫米大小。从日常生活到产业各界,通过压力、惯性、流量、温度、声音、光线检测到自然界各种各样现象的传感器正被广泛应用。

比如使用通过体温检测到人体的红外传感器,就可以只在有人的地方进行照明和提供冷气,从而大大削减用电量的浪费。而地震传感器可以检测出强烈的地震,从而中止装置和设备的使用,避免机器发生故障和引发火灾等次生灾害。

而隐藏在智能手机中的麦克风其实也是传感器的一种,能够检测到从高音到低音广域的音频,通过内置传感器将通话音量和音色进行清晰地传递。

MEMS:从微观世界中掌握地球的律动

MEMS麦克风的结构

这些传感器的特点是非常小。在只有几毫米大小的硬件中,聚集着检测装置、控制器等各种组件,可将检测到的机械数据转换为电气信号进行传输。这些微小的机器,被称作MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)。

MEMS作为新世纪的关键技术正在各类领域得到广泛应用。智能手机、可穿戴设备相关的应用程序变得种类繁多也与MEMS小型化、高精度有着直接的关系。当智能手机处于倾斜的状态时,手机屏幕的方向也会随之变化,而使用的地图app仍会正确地标示出使用者所在的地理位置。而在步行中,无论怎样活动,智能手机也能读取出使用者真正的运动量。这些功能都得益于MEMS。

近些年,MEMS传感器已能够收集到“高度”的信息,这也引起人们的广泛关注。在位置信息上添加高度信息,就可以定位(navigation)人在建筑物的所在高度和具体位置。而即使是上下台阶产生的运动,也会被计入真正的运动量。

那么,如何评估“高度”呢?关键就是掌握气压差。众所周知,气压随高度的上升而下降。据计算,珠穆朗玛峰顶峰的气压只有地面的30%。不止在高处,日常生活中,我们也经常接触到由极小的空气分子质量差引起的气压变化。而能够检测出同真空状态下相比,所产生的细小气压差,就是绝对压力传感器。

MEMS:从微观世界中掌握地球的律动

世界最高等级(*)精度的绝对压力传感器

(2016年1月12日 欧姆龙公司调查)

2.0mm×2.5mm×0.85mm,在如同笔尖般大小的包装里,附带着能够检测气压和实现控制效果的IC芯片。它能够检测出相当于高度±5cm的±0.6Pa的气压变化。人们在上下台阶每一步所产生的移动距离,都能够被精准地检测到。

如此精密且小巧的机器尺寸也达到了世界尖端水平。

通过无限组合,集结不同领域的成员

对于开发者来说,在仅有2平方毫米大小的包装里制造能够捕捉到细微气压变化的机器要比想象中还要困难。

在封装内部,装有悬挂在真空环境中的硅薄膜(隔膜),检测外部空气进入隔膜后所产生的气压变化。为了提高传感器的检测精度,硅膜片必须做到尽可能薄,以便在感触细微的气压后可以产生巨大的变形。

另外,在根据薄膜形状变化处理电子信号的回路上,为了提高传输精度,如何降低噪音也成为一大课题。

即使这些问题都能解决,由于传感器精度提高而产生的温度变化所引发的壳体轻微变形的问题依然存在。

MEMS:从微观世界中掌握地球的律动

绝对压力传感器结构图

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